wenn die Gesundheit zählt - Informationsstelle Edelstahl Rostfrei

Merkblatt 914
Nichtrostender Stahl –
wenn die Gesundheit zählt
Informationsstelle Edelstahl Rostfrei
N I C H T R OST E N D E R STA H L – W E N N D I E G ES U N D H E I T Z Ä H LT
Euro Inox
Euro Inox ist die europäische Marktförderungsorganisation für nichtrostende Stähle (Edelstahl Rostfrei).
Die Mitglieder von Euro Inox umfassen:
• europäische Produzenten von Edelstahl Rostfrei,
• nationale Marktförderungsorganisationen für
Edelstahl Rostfrei sowie
• Marktförderungsorganisationen der Legierungsmittelindustrie.
Ziel von Euro Inox ist es, bestehende Anwendungen
für nichtrostende Stähle zu fördern und neue Anwendungen anzuregen. Planern und Anwendern sollen
praxisnahe Informationen über die Eigenschaften der
nichtrostenden Stähle und ihre sachgerechte Verarbeitung zugänglich gemacht werden. Zu diesem Zweck
• gibt Euro Inox Publikationen in gedruckter und elektronischer Form heraus,
• veranstaltet Tagungen und Seminare und
• initiiert oder unterstützt Vorhaben in den Bereichen
anwendungstechnische Forschung sowie Marktforschung.
Vollmitglieder
Acerinox
www.acerinox.es
Outokumpu
www.outokumpu.com
ThyssenKrupp Acciai Speciali Terni
www.acciaiterni.com
ThyssenKrupp Nirosta
www.nirosta.de
ArcelorMittal Stainless Belgium
ArcelorMittal Stainless France
www.arcelormittal.com
Assoziierte Mitglieder
Acroni
www.acroni.si
British Stainless Steel Association (BSSA)
www.bssa.org.uk
Cedinox
www.cedinox.es
Centro Inox
www.centroinox.it
Informationsstelle Edelstahl Rostfrei
www.edelstahl-rostfrei.de
International Chromium Development Association (ICDA)
www.icdachromium.com
International Molybdenum Association (IMOA)
www.imoa.info
Nickel Institute
www.nickelinstitute.org
Paslanmaz Çelik Derneği (PASDER)
www.turkpasder.com
Polska Unia Dystrybutorów Stali (PUDS)
www.puds.pl
SWISS INOX
www.swissinox.ch
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Inhalt
Impressum
Nichtrostender Stahl - wenn die Gesundheit zählt
Reihe Mensch und Umwelt – Band 2
ISBN 978-2-87997-309-8
Englische Fassung: 978-2-87997-307-4
1
2
2.1
2.2
3
Herausgeber
Euro Inox
Diamant Building, Bd. A. Reyers 80
1030 Brüssel, Belgien
Tel. +32 2 706 82 67 Fax +32 2 706 82 69
E-mail [email protected]
Internet www.euro-inox.org
3.1
3.2
3.3
4
Autor
Ulrich Heubner, Werdohl (D)
5
Danksagung
Der Autor dankt Herrn Tony Newson, Eurofer Stainless,
Brüssel (B) für die von ihm gegebenen Beiträge und für die
kritische Durchsicht des Manuskripts.
5.1
Bildnachweis
Corbis
EZM Edelstahlzieherei Mark, Wetter (D)
Geberit Mapress, Langenfeld (D)
iStockphoto
T. Pauly, Brussels (B)
ThyssenKrupp Stainless, Duisburg (D)
5.4
5.5
5.2
5.3
5.6
6
7
Einleitung
Was sind nichtrostende Stähle?
Definition und wesentliche Merkmale
Einteilung der nichtrostenden Stähle nach
Gruppen
Die Hauptlegierungsbestandteile der nichtrostenden Stähle als lebensnotwendige
Nahrungsinhaltsstoffe
Allgemeines
Chrom als lebensnotwendiger
Nahrungsinhaltsstoff
Nickel als lebensnotwendiger
Nahrungsinhaltsstoff
Die Einbindung der Legierungsbestandteile
in den nichtrostenden Stahl
Gesundheitsrelevante Anwendungen
nichtrostender Stähle
Nichtrostende Stähle in Berührung mit
der menschlichen Haut
Geräte und Implantate für die Humanmedizin
Nichtrostende Stähle in Kontakt mit
Lebensmitteln und Getränken
Nichtrostende Stähle in Kontakt mit Trinkwasser
Nichtrostende Stähle für die Herstellung
pharmazeutischer Produkte
Hygienische Eigenschaften der Oberfläche nichtrostender Stähle – Reinigung und Desinfektion
Zusammenfassung
Literaturhinweise
2
3
3
4
7
7
8
9
11
12
12
17
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27
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33
Haftungsausschluss
Die in dieser Broschüre enthaltenen Informationen vermitteln Orientierungshilfen. Gewährleistungs- und
Schadenersatzansprüche können hieraus nicht abgeleitet
werden. Nachdrucke, auch auszugsweise, sind nur mit
Genehmigung des Herausgebers gestattet.
1
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1 Einleitung
Nichtrostende Stähle finden sich heute
in einer großen Vielfalt von Anwendungen.
Darunter sind auch solche, in denen gesundheitliche Aspekte zu beachten sind. In derartigen Anwendungen können nichtrostende
Stähle in unmittelbare Berührung mit dem
menschlichen Körper gelangen, zum Beispiel
im Fall von Schmuck, Bestecken, medizinischen Geräten und Implantaten. Sie können aber auch relevant sein für die menschliche Gesundheit, wenn sie in Küchen, in der
Lebensmittel-, Getränke- und pharmazeutischen Industrie oder in der TrinkwasserHausinstallation verwendet werden. Dort
sollen sie ihre Funktion erfüllen, ohne die
Lebensmittel, Getränke, Trinkwässer oder
pharmazeutischen Produkte, mit denen sie
in Berührung kommen, negativ zu beeinflussen. Darüber hinaus sollen sie leicht zu
reinigen sein. Ziel der vorliegenden Broschüre ist es darzulegen, warum nichtrostende Stähle in allen diesen Anwendungen
nicht nur gebrauchssicher sind, sondern
auch zum Schutz der menschlichen Gesundheit beitragen.
2
Die vorliegende Broschüre betrachtet die
nichtrostenden Stähle beim normalen Gebrauch durch die Endanwender. Bei der Verarbeitung nichtrostender Stähle, wie zum
Beispiel beim Schneiden, Umformen und
Schweißen, sind darüber hinaus Arbeitsschutz-Aspekte zu beachten, die den Sicherheitsdatenblättern der Werkstoffhersteller
zu entnehmen sind.
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2 Was sind nichtrostende Stähle?
2.1 Definition und wesentliche
Merkmale
Nichtrostende Stähle sind Eisenlegierungen, die mindestens 10,5 % Chrom und
maximal 1,2 % Kohlenstoff enthalten (1).
Zu den wichtigsten Merkmalen der nichtrostenden Stähle gehört ihre Korrosionsbeständigkeit unter einer Vielzahl unterschiedlicher Umgebungsbedingungen. Korrosionsbeständigkeit ist dabei keine
Werkstoffeigenschaft, sondern ein Werkstoffverhalten, welches sich aus der von der
Oberfläche ausgehenden Wechselwirkung
des Werkstoffs mit dem umgebenden Medium ergibt. Im Fall der nichtrostenden Stähle
geht die Korrosionsbeständigkeit auf eine so
genannte Passivschicht zurück, welche auf
der Oberfläche als Barriere zwischen der Legierung und dem umgebenden Medium liegt
(2). Diese Passivschicht ist eine kontinuierliche und porenfreie Oberflächenschicht, die
im Fall einer Beschädigung normalerweise
unmittelbar von selbst wieder ausheilt.
Für die Bildung und die Stabilisierung
dieser Passivschicht spielt das Legierungselement Chrom eine entscheidende Rolle.
Ein Mindest-Chromgehalt von 10,5 % ist die
Voraussetzung dafür, dass sich eine schützende Chromoxidschicht auf der Oberfläche
bilden kann. Die Wirksamkeit dieser schützenden passiven Oberflächenschicht steigt
mit dem Chromgehalt der Legierungen an.
Andere Legierungselemente können die
Wirksamkeit des Chroms in Hinblick auf die
Bildung und auf die Stabilität dieser Passiv-
schicht beeinflussen, jedoch kann kein anderes Legierungselement allein die Entstehung einer derartigen Passivschicht unter
üblichen Umgebungsbedingungen bewirken.
Erhöht man den Chromgehalt von 10,5
auf 18 %, also auf jenes Niveau, das für die
austenitischen nichtrostenden Stähle typisch ist, wird die Passivschicht stabiler und
die Korrosionsbeständigkeit größer. Wird
darüber hinaus auch noch Nickel zulegiert,
kann die Korrosionsbeständigkeit weiter angehoben werden. Insbesondere wird hierdurch die Passivierbarkeit wesentlich verbessert (2). Damit wird auch die als Repassivierung bezeichnete Neubildung der
Passivschicht nach einer örtlichen Verletzung erleichtert. Das Zulegieren von Nickel
vermindert auch den Loch- und Spaltkorrosionsangriff. Darüber hinaus werden durch
Nickel bedeutsame Werkstoffeigenschaften
in die nichtrostenden Stähle eingebracht,
wie erhöhte Duktilität und bessere Umformbarkeit.
Molybdän hat als Legierungselement
in nichtrostendem Stahl eine zweifache
Wirkung. Einmal erleichtert es schon in
vergleichsweise geringen Mengen die Passivierung (2). Darüber hinaus stabilisiert
es in Verbindung mit Chrom maßgeblich
die Passivschicht in Gegenwart von Chloriden und anderen Halogeniden. Auf diese
Weise erhöht es vor allem die Beständigkeit gegenüber Loch- und Spaltkorrosion
in neutralen und sauren chloridhaltigen
Lösungen.
3
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2.2 Einteilung der nichtrostenden
Stähle nach Gruppen
Der Stammbaum der nichtrostenden Stähle
hat mehrere Verzweigungen. Dabei lässt sich die
große Gruppe der nichtrostenden Stähle in unterschiedlicher Weise gliedern, in der Regel und am
besten jedoch an Hand der metallurgischen Phasen, die in ihrer Mikrostruktur vorzufinden sind.
Gemäß (1) unterscheidet man vier Gruppen:
• austenitische korrosionsbeständige Stähle,
• austenitisch-ferritische korrosionsbeständige Stähle,
• ferritische korrosionsbeständige Stähle,
• martensitische und ausscheidungshärtende korrosionsbeständige Stähle.
Der Stammbaum der nichtrostenden
Stähle kann mit mehr als 120 unterschiedlichen Zweigen dargestellt werden.
Duplex
Superferritisch
Superaustenitisch
Ferritisch
Austenitisch
Martensitisch
+ Cr Ni
+ Cr
Nichtrostende Stähle
4
Austenitische nichtrostende Stähle bestehen überwiegend aus Eisen, 16 bis 28%
Chrom (1) und bis zu 35% Nickel (1). In einigen
Fällen kann Nickel durch andere Austenitbildner
wie zum Beispiel Mangan, Stickstoff und Kupfer
ersetzt werden. Tabelle 1 zeigt die Haupt-Legierungselemente ausgewählter austenitischer
nichtrostender Stähle. Einige von ihnen enthalten zusätzliche Legierungselemente, zum Beispiel Molybdän oder Stickstoff, welche die Korrosionsbeständigkeit weiter verbessern.
Über die in Tabelle 1 genannten Sorten hinaus
gibt es sehr hoch legierte austenitische Sorten, die
so genannten superaustenitischen nichtrostenden Stähle, wie zum Beispiel die Sorte 1.4529 mit
19,0 bis 21,0% Chrom, 6,0 bis 7,0% Molybdän
und 0,15 bis 0,25% Stickstoff (1). Diese superaustenitischen Sorten sind für sehr hohe Korrosionsbeanspruchungen erforderlich. Im Unterschied dazu hilft bei den niedrig mit Nickel legierten CrMnAusteniten ein Mangananteil von 5,5 bis 10,5% (1)
zwar die austenitische Struktur aufrecht zu erhalten, ohne sich jedoch im Gegensatz zu Nickel (2)
dabei gleichzeitig positiv auf die Korrosionsbeständigkeit im Sinne erleichterter Repassivierung auszuwirken. Darüber hinaus liegen die
meisten CrMn-Austenite niedriger im Chromgehalt
als die CrNi-Austenite, so dass deren Korrosionsbeständigkeit entsprechend geringer ist. Typische
Vertreter der CrMn-Austenite sind die Werkstoffe
1.4372 und 1.4618. Die gesamte Gruppe der austenitischen nichtrostenden Stähle weist eine Vielfalt von Sorten auf, die in größeren Mengen Anwendung finden, als dies bei den anderen Gruppen der nichtrostenden Stähle der Fall ist.
Die austenitischen Sorten zeichnen sich
durch ausgezeichnete Umformbarkeit aus
und zeigen keine Versprödung bei niedrigen
Temperaturen. Sie lassen sich zudem im Allgemeinen leicht schweißen.
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Austenitisch-ferritische nichtrostende
Stähle (Duplex Stähle) vereinen Merkmale
der ferritischen und der austenitischen Sorten. Tabelle 2 zeigt die Haupt-Legierungselemente ausgewählter austenitisch-ferritischer Sorten.
Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, ist die Legierungszusammensetzung so gewählt,
dass ein Mischgefüge mit ungefähr 50 %
Austenit- und 50 % Ferrit-Anteilen erzielt
wird. Aufgrund dieses austenitisch-ferritischen Mischgefüges werden diese nichtrostenden Stähle auch als Duplexstähle bezeichnet. Duplexstähle sind schweißbar, jedoch ist darauf zu achten, dass das gewünschte Volumenverhältnis von Austenit
und Ferrit in der Schweißnaht erhalten bleibt.
Superduplexstähle sind für hoch korrosive
Umgebungen wie zum Beispiel Meerwasser
bestimmt.
Tabelle 1: Ausgewählte austenitische nichtrostende Stähle mit ihren Hauptlegierungsbestandteilen
Gruppe
Bezeichnung gemäß
EN 10088 (AISI)a)
X5CrNi18-10 (304)
CrNiAustenite
CrNiMoAustenite
CrMnAustenite
a)
b)
EN
WerkstoffNr.
Zusammensetzung, Massenanteile in %
Cr
Ni
17,5-19,5
8,0-10,5
Mo
C max.
1.4301
Andere
0,07
X2CrNi18-9 (304L)
1.4307
X2CrNi19-11 (304L)
1.4306
18,0-20,0 10,0-12,0
X6CrNiTi18-10 (321)
1.4541
17,0-19,0
X5CrNiMo17-12-2 (316)
1.4401
X2CrNiMo17-12-2 (316L)
1.4404
X6CrNiMoTi17-12-2 (316Ti)
1.4571
X12CrMnNiN17-7-5 (201)
1.4372
X12CrMnNiN17-7-5 (201Cu)
1.4618 b)
max. 0,11 N
0,03
9,0-12,0
0,08
5xC-0,7 Ti
0,07
10,0-13,0
16,5-18,5
max. 0,11 N
2,0-2,5
0,03
10,5-13,5
0,08
5xC-0,7 Ti
16,0-18,0
3,5-5,5
0,15
5,5-7,5 Mn /
0,05-0,25 N
16,5-18,5
4,5-5,5
0,10
5,5-9,5 Mn/1,0 -2,0 Cu
max. 0,15 N
EN- und AISI-Sorten entsprechen einander nur annähernd, angegeben ist jeweils das nächste AISI-Äquivalent.
noch nicht in EN 10088 enthalten.
Tabelle 2: Ausgewählte austenitisch-ferritische nichtrostende Stähle mit ihren Hauptlegierungsbestandteilen
Gruppe
Duplex
Superduplex
Bezeichnung gemäß
EN 10088
EN
WerkstoffNr.
Zusammensetzung, Massenanteile in %
Cr
Ni
Mo
X2CrNiN23-4a)
1.4362
22,0-24,0
3,5-5,5
0,1-0,6
X2CrNiMoN22-5-3b)
1.4462
21,0-23,0
4,5-6,5
2,5-3,5
X2CrNiMoN25-7-4c)
1.4410
24,0-26,0
6,0-8,0
3,0-4,5
C max.
Andere
0,10-0,60 Cu
0,05-0,20 N
0,03
0,10-0,22 N
0,24-0,35 N
Häufig zu findende Bezeichnungen sind hier auch für a) 2304, für b) 2205, und für c) 2507.
5
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Tabelle 3: Ausgewählte ferritische nichtrostende Stähle mit ihren Hauptlegierungsbestandteilen
Gruppe
Ferrite
a)
b)
Bezeichnung gemäß
EN 10088 (AISI)a)
EN
WerkstoffNr.
Zusammensetzung, Massenanteile in %
Cr
Mo
C max.
Andere
X6Cr17 (430)
1.4016
16,0-18,0
0,08
X2CrTiNb18 (441)
1.4509
17,5-18,5
0,03 [3xC+0,30] bis 1,0 Nb / 0,1-0,6 Ti
X3CrTi17 (439)
1.4510
16,0-18,0
0,05
[4x(C+N)+0,15] bis 0,80 Tib)
X2CrMoTi18-2 (444)
1.4521
17,0-20,0
0,025
[4x(C+N)+0,15] bis 0,80 Tib)
1,80-2,50
EN- und AISI-Sorten entsprechen einander nur annähernd, angegeben ist jeweils das nächste AISI-Äquivalent.
Alternativ kann die Stabilisierung auch durch Nb oder Zr erfolgen (1).
Ferritische nichtrostende Stähle bestehen im Wesentlichen aus Eisen und Chrom.
Der Chromgehalt liegt üblicherweise bei circa 12,5 % oder 17,5 % (1). Tabelle 3 zeigt die
wesentlichen Legierungsbestandteile ausgewählter ferritischer nichtrostender Stähle.
Wie aus Tabelle 3 ersichtlich, sind ferritische
nichtrostende Stähle im Wesentlichen nickelfrei
und dementsprechend in reduzierender Umgebung weniger korrosionsbeständig als nickelhaltige Sorten. Allerdings ist ihre Korrosionsbeständigkeit für viele Anwendungen ausreichend. Zudem lässt sie sich durch Hinzulegieren von Molybdän erhöhen. Obwohl die
ferritischen nichtrostenden Stähle bei niedrigen
Temperaturen von duktilem auf sprödes Verhalten übergehen, verfügen sie über eine für
viele Anwendungen ausreichende Umformbarkeit. Sie lassen sich in dünnen Abmessungen
gut schweißen, insbesondere wenn sie mit Elementen wie Titan, Niob oder Zirkonium stabilisiert sind; in dickeren Abmessungen erleiden
sie jedoch in der Schweißnaht Kornvergröberung mit entsprechender Beeinträchtigung der
mechanischen Eigenschaften.
Die martensitischen nichtrostenden
Stähle bestehen im Wesentlichen aus Eisen,
Chrom und Kohlenstoff (1). Tabelle 4 zeigt
die Haupt-Legierungselemente ausgewählter martensitischer nichtrostender Stähle.
Aufgrund ihres Kohlenstoffanteils lassen
sich martensitische nichtrostende Stähle
durch Wärmebehandlung härten. Sie finden
dort Anwendung, wo zusätzlich zu Korrosionsbeständigkeit auch Verschleißbeständigkeit gefordert wird. Allerdings ist ihre Korrosionsbeständigkeit mäßig. Schweißen ist
nur sehr eingeschränkt möglich.
Tabelle 4: Ausgewählte martensitische nichtrostende Stähle mit ihren Hauptlegierungsbestandteilen
Gruppe
Bezeichnung gemäß EN 10088
(AISI)a)
X20Cr13 (420)
Martensite X17CrNi16-2 (431)
X39CrMo17-1
a)
6
EN
WerkstoffNr.
Zusammensetzung, Massenanteile in %
Cr
Mo
C
Andere
1.4021
12,0-14,0
0,16-0,25
1.4057
15,0-17,0
0,12-0,22
1,5-2,5 Ni
1.4122
15,5-17,5
0,33-0,45
≤ 1,0 Ni
0,8-1,3
EN- und AISI-Sorten entsprechen einander nur annähernd, angegeben ist jeweils das nächste AISI-Äquivalent
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3 Die Hauptlegierungsbestandteile der nichtrostenden
Stähle als lebensnotwendige Nahrungsinhaltsstoffe
3.1 Allgemeines
Metalle sind natürliche Bestandteile der
Umwelt, auch wenn sie häufig nur in geringen Mengen vorkommen. Dementsprechend
ist pflanzliches, tierisches und menschliches
Leben von Natur aus darauf eingestellt, mit
den meisten der Metalle in Berührung zu
kommen. Einige dieser Metalle sind sogar
essentiell, das heißt lebensnotwendig für
biologische Vorgänge und Stoffwechselprozesse. Dazu zählen auch Chrom und Nickel
als Hauptlegierungsbestandteile der nichtrostenden Stähle.
Allerdings können alle Stoffe, die einem
biologischen Organismus wie beispielsweise dem menschlichen Körper im Übermaß zugeführt werden, sei es in Form von
Nahrung, Drogen, metallischen Elementen
oder sogar Vitaminen, auch einen negativen
Einfluss ausüben (3). Die Dosis-WirkungsKurve in Abbildung 1 verdeutlicht, dass der
Einfluss lebensnotwendiger Elemente auf
Mensch und Umwelt positiv ist, sofern die
Exposition sich im mittleren Bereich einer
ausreichenden Zufuhr bewegt. Dieselben
Elemente können jedoch auch einen negativen Einfluss auf Gesundheit und Umwelt
ausüben, sofern die Zufuhr zu gering ist und
dann das Risiko von Mangelerscheinungen
besteht oder wenn umgekehrt die Zufuhr zu
hoch ist, und damit das Risiko von Toxizität
gegeben sein kann.
Selbst wenn derartige Elemente in
großen Mengen oder hohen Konzentrationen
vorliegen, ist die Exposition häufig dennoch
gering und liegt innerhalb der ausreichenden Zufuhr. Unter natürlichen Bedingungen
werden diese Elemente nämlich häufig an
Mineralien adsorbiert, so dass ihre Bioverfügbarkeit gering ist. In metallischen Legierungen sind sie in eine chemische Matrix eingebunden, die es verhindert, dass deren Bestandteile sich ohne weiteres herauslösen.
Gesamt-Aufnahme
Gleichgewicht
Abbildung 1:
Typische Dosis-WirkungsKurve für einen lebensnotwendigen Nahrungsinhaltsstoff
Bereich
ausreichender Zufuhr
Mangelrisiko
Toxizitätsrisiko
( + ) Toxizität
( – ) Mangel
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3.2 Chrom als lebensnotwendiger
Nahrungsinhaltsstoff
Elementares Chrom (Cr) ist biologisch
inert; es wird nicht absorbiert und hat keinen
Nährwert. Zweiwertiges Chrom (Cr II) kommt
in biologischen Systemen nicht vor. Nahezu
das gesamte natürlich vorkommende Chrom
liegt in dreiwertiger Form (Cr III) vor, wogegen
sechswertiges Chrom (Cr VI) zumeist industriellen Ursprungs ist (4).
Die Toxizität von Chrom steht in erster Linie
mit dem sechswertigem Chrom in Zusammenhang, während dreiwertiges Chrom als ein in
hohem Umfang sicherer Stoff anzusehen ist (4).
Nichtrostender Stahl enthält keinerlei
sechswertiges Chrom. Das in nichtrostendem
Stahl enthaltene Chrom liegt in metallischer
Form vor, das heißt mit Wertigkeit Null. Der
Problemkreis des sechswertigen Chroms betrifft nichtrostenden Stahl in seinem Gebrauch durch den Endanwender nicht.
Dreiwertiges Chrom ist die stabilste Bindungsform, in der Chrom in lebenden Organismen vorgefunden wird. Cr III wird im Wesentlichen
durch den Verdauungstrakt in den Organismus
aufgenommen. Es ist für den normalen Kohlenhydrat-, Fett- und Eiweißstoffwechsel unerlässlich.
Chrom wirkt als Co-Faktor von Insulin, so dass die
Wirkung von Chrom im Organismus mit der Wirkung von Insulin gleichgerichtet ist.
In der menschlichen Ernährung wird
Chrom als Nahrungsergänzungsmittel verwendet. Empfohlen wird es auch bei gestörtem Kohlenhydratstoffwechsel, welcher sich
in verminderter Glukosetoleranz und beeinträchtigter Insulinproduktion äußert. Darüber hinaus dient es der Gewichtsreduzierung
und nicht zuletzt der Vermeidung arteriosklerotischer Beläge in Blutgefäßen (4).
8
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3.3 Nickel als lebensnotwendiger
Nahrungsinhaltsstoff
Obgleich Nickel in den Wertigkeitsstufen
-1, 0, +1, +2, +3 und +4 vorliegen kann, ist
die zumeist anzutreffende Wertigkeit +2.
Zweiwertiges Nickel (Ni II) wird überwiegend über den Verdauungstrakt in den Organismus aufgenommen. Tatsächlich enthalten viele Arten von Lebensmitteln merkliche
Mengen an Nickel. Eine an Schokolade, Nüssen, getrockneten Bohnen, Erbsen und Getreide reiche Ernährung kann durchaus mehr
als 900 µg Nickel/Tag liefern, während über
die konventionelle Ernährung üblicherweise
etwa 150 µg Nickel/Tag zugeführt werden. Eine weitere normale Herkunft von Nickel ist
Trinkwasser. Typischerweise bewegt sich der
Nickelgehalt in Quellwässern rund um den
Globus zwischen 5 und 20 µg/l (5).
Einige Lebensmittel
enthalten von Natur aus
merkliche Mengen an
Nickel, darunter Getreide, Nüsse und Bitterschokolade.
9
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1975 wurde eine Monographie über Nickel
veröffentlicht, in der zahlreiche Enzymsysteme
untersucht wurden. Sie gelangt zu der Schlussfolgerung, dass zweiwertiges Nickel (Ni II) verschiedene enzymatische Reaktionen, die von
grundlegender Bedeutung für Menschen und
Tiere sind, unter unterschiedlichsten Bedingungen sowohl verzögern als auch verstärken
kann, und dass ein Eingriff in diese Reaktionen
schwerwiegende nachteilige Effekte haben
kann (6).
Wie in (5) dargelegt, zeigten bereits früh Untersuchungen an Küken und Ratten sowohl makroskopische als auch mikroskopische Veränderungen in der Leber der Versuchstiere, wenn
sie einer Nahrung mit Nickeldefizit ausgesetzt
worden waren. Diese Veränderungen wurden
durchgängig beobachtet und deuten darauf hin,
dass Nickel eine lebensnotwendige Rolle bei
der Proteinsynthese von Tieren spielt.
Einer jüngeren Zusammenfassung früherer
Forschungsergebnisse zufolge (5) wurden Ziegen als repräsentative Vertreter von Wiederkäuern ausgewählt, die Nickel mit der pflanzlichen
Nahrung aufnehmen. Wurden diese Tiere sechs
10
Jahre lang mit nur 100 µg Ni/kg Nahrung versorgt, während die Kontrollgruppe 4000 µg
Ni/kg aufnahm, zeigte sich eine signifikante Erhöhung der Mortalität bei den Nachkommen der
mit Nickel unterversorgten Ziegen. Bemerkenswerterweise wies die Studie auch verminderte
Calcium- und Zinkwerte bei den nickelunterversorgten Ziegen nach. Hieraus lässt sich
schließen, dass Nickel auch eine Rolle bei der
Verwertung von Zink im Körper spielt. Gemäß (5)
ergaben Untersuchungen an Lämmern Resultate, die mit jenen bei anderen Lebewesen übereinstimmten. Dabei erwies sich, dass Nickel
auch mit anderen Stoffen in Wechselwirkung
steht, die für eine ordnungsgemäße biologische
Funktion verschiedener Stoffwechselsysteme
von Bedeutung sind (5).
In geringen Mengen sind Chrom und
Nickel Bestandteile einer normalen Ernährung. Nach heutigem Kenntnisstand
sind diese als nützlich für die Gesundheit
der Lebewesen anzusehen.
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4 Die Einbindung der Legierungsbestandteile in den
nichtrostenden Stahl
Nichtrostende Stähle
verfügen über eine sich
selbst wiederherstellende Passivschicht, die
eine Barriere zwischen
dem Stahl und seiner
Umgebung darstellt.
Die Korrosionsbeständigkeit des nichtrostenden Stahls geht auf eine komplexe,
chromreiche Oxidschicht zurück, die so genannte Passivschicht, die sich von selbst auf
der Oberfläche des Stahls ausbildet. Dieser
passive Zustand stellt die normale Oberflächenbeschaffenheit von nichtrostendem
Stahl im täglichen Gebrauch dar. Nichtrostender Stahl passiviert sich immer wieder
von selbst, wenn eine metallisch saubere
Oberfläche Umgebungsbedingungen ausgesetzt wird, die genug Sauerstoff für die Bildung der chromreichen Oxidschicht bereitstellt. Diese Passivschicht ist etwa 1 bis 2 nm
dick und stellt eine wirksame Barriere dar,
die in den meisten Fällen den Metallaustrag
aus nichtrostendem Stahl auf vernachlässigbar geringe Werte vermindert. Dadurch ist
die Migration von Legierungsbestandteilen
in die umgebenden Medien äußerst gering.
Das Ausmaß möglicher Migration ist abhängig von der Art des nichtrostenden Stahls
und dem umgebenden Medium. Nach heutigem Kenntnisstand liegt bei normalem Gebrauch der Metallaustrag jedoch selbst in kritischen Anwendungen innerhalb des in Abbildung 1 angedeuteten mittleren lebensnotwendigen Bereichs.
Nichtrostender Stahl bindet im normalen, passiven Zustand seine Legierungsbestandteile fest in eine metallische Matrix
ein. Die Tatsache, dass er bestimmte Legierungsmetalle enthält, bedeutet keinesfalls,
dass diese bei normalem Gebrauch in nennenswertem Umfange freigesetzt werden.
Es ist sogar wichtig, hinreichend hohe Legierungsanteile zum Beispiel von Chrom und
Nickel vorzusehen, um infolge der erst damit
gegebenen hohen Stabilität der Passivschicht den Metallaustrag auf vernachlässigbare Werte zu minimieren.
11
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5 Gesundheitsrelevante Anwendungen
nichtrostender Stähle
5.1 Nichtrostende Stähle in Berührung mit der menschlichen Haut
In zahlreichen Anwendungen kommen nichtrostende Stähle in Kontakt mit der menschlichen
Haut (7). Oft ist dieser Kontakt nur kurzfristig,
zum Beispiel beim Berühren von Handläufen
oder beim Gebrauch von Flaschenöffnern,
Schneidwaren und Haushaltsgegenständen. Zumeist werden hierfür austenitische Sorten wie
1.4301 und 1.4307 oder ferritische Sorten, zum
Beispiel 1.4016 und 1.4510, oder auch martensitische Stähle wie zum Beispiel 1.4021 und
1.4122 eingesetzt. Aufgrund jahrzehntelanger
Erfahrungen gilt diese Art des Hautkontakts als
gesundheitlich unbedenklich.
Gleichwohl tritt bei manchen Menschen
eine Nickelallergie auf. Im Falle einer unmittelbaren und längeren Berührung metallischer Gegenstände mit der menschlichen
Haut, wie er beispielsweise für Schmuck, Uhrengehäuse und Uhrenarmbänder typisch
ist, kann es durch den Kontakt mit menschlichem Schweiß zu einem nennenswerten
Metallaustrag kommen. Dieser Metallaus12
trag wird auch als Migration bezeichnet. Sofern es sich dabei um metallisches Nickel
oder nickelhaltige metallische Legierungen
handelt, werden hierbei bioverfügbare zweiwertige Nickel-Ionen freigesetzt (8), welche
in die menschliche Haut eindringen und die
bei Personen mit bereits bestehender
Überempfindlichkeit gegen Nickel zu allergischen Reaktionen führen können.
Damit eine Hautkontaktallergie entstehen kann, muss die Haut zuvor durch einen Kontakt mit der betreffenden Substanz,
in diesem Fall Nickel, überempfindlich gemacht worden sein. Dieser Prozess wird als
Sensibilisierung bezeichnet. In vielen Fällen
führt Nickel erst nach sehr langem Kontakt zu
einer Sensibilisierung. Eine Nickelallergie
muss deshalb beispielsweise nicht unbedingt schon beim ersten Tragen eins
Schmuckstücks entstehen. Typischerweise
sind zwischen ein und drei Wochen unmittelbaren Hautkontakts erforderlich, bevor eine für die Sensibilisierung hinreichend große
Menge an Nickel durch Schweiß aus dem Metall herausgelöst worden ist. Diese Phase
wird als Induktions- oder Sensibilisierungsphase bezeichnet. Die Nickelmenge, die
nötig ist, um die Schwelle zur Sensibilisierung zu überschreiten, ist individuell unterschiedlich. Bei bereits vorgeschädigter Haut
kann die Sensibilisierung schneller und bei
geringeren Mengen von gelöstem Nickel erfolgen als bei gesunder. Temperatur, allergische Vorerkrankungen, Rasse, Geschlecht
und Alter gehören ebenfalls zu den Faktoren,
welche die Anfälligkeit für Sensibilisierung
und die Schnelligkeit des Verlaufs bestimmen. Nickelkontaktallergien treten häufig in
Kombination mit Stoffen auf, welche die
N I C H T R OST E N D E R STA H L – W E N N D I E G ES U N D H E I T Z Ä H LT
Tabelle 5: Chemische Zusammensetzung (Massenanteile in %) der für die Nickelallergiestudien (14,15,16) verwendeten nichtrostenden Stähle
und des Nickels in der vernickelten Oberfläche
EN-Werkstoff-Nr. (AISI-Bezeichnung)
Legierungselement
1.4016 (430)
1.4301 (304)
1.4404 (316L)
1.4305 (303)
Nickel
Ni
0,11
8,65
11,29
8,45
99,8
Cr
16,59
18,18
17,87
17,25
Mo
0,11
0,26
2,15
0,26
C
0,037
0,036
0,021
0,064
S
0,0010
0,0069
0,0018
0,2753
Mn
0,43
0,81
1,67
1,79
Si
0,33
0,49
0,61
0,54
Haut reizen, und / oder bei feuchter Haut.
Ist die Sensibilisierung einmal erfolgt, reichen bei der derart sensibilisierten Person
schon wesentlich geringere Mengen löslichen Nickels aus, um eine Kontaktdermatitis hervorzurufen. Die Reaktion kann
dann auch in Bereichen des Körpers erfolgen, die von der Kontaktfläche entfernt sind.
Es ist daher wichtig festzustellen, oberhalb
welchen Schwellenwertes bioverfügbares
Nickel bei bereits sensibilisierten Personen
allergische Reaktionen hervorrufen kann.
Die Ermittlung derartiger Schwellenwerte ist
Gegenstand dermatologischer Forschungsarbeiten gewesen (9).
Heute gilt es aufgrund wissenschaftlicher
Erkenntnisse (10) als anerkannt, dass in den
meisten Anwendungen die Wahrscheinlichkeit der Auslösung von Dermatitis bei bereits sensibilisierten Personen hinreichend
gering ist, wenn ein Nickelaustrag von
0,5 µg/cm2·Woche nicht überschritten wird.
Ein solcher Migrationsgrenzwert wurde bereits 1989 in die dänische Gesetzgebung
0,0021
eingeführt (11) und ist seit 1994 Bestandteil
der Europäischen Richtlinie 94/27/EG (12)
für Produkte, die unmittelbar und länger mit
der menschlichen Haut in Berührung kommen, wie zum Beispiel Ohrringe, Halsketten,
Armbänder und sonstige Schmuckketten,
Fußringe, Fingerringe, Armbanduhrgehäuse,
Uhrarmbänder und Spanner, Nietknöpfe,
Spangen, Niete, Reißverschlüsse und Metallmarkierungen, wenn sie in Kleidungsstücken verwendet werden.
Bei allen Erststeckern, die in durchstochene Ohren oder andere durchstochene
Körperteile eingeführt werden, ist gemäß der
Europäischen Richtlinie 2004/96/EG (13) für
den Nickelaustrag ein niedrigerer Freisetzungsgrenzwert von 0,2 µg/cm2·Woche obligatorisch.
Die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten
von Nickelkontaktdermatitis aufgrund von
unmittelbarer und längerer Berührung mit
der menschlichen Haut wurde im Einzelnen
in einer Reihe von Studien untersucht
(14,15,16). Hierfür wurden vier verschie13
N I C H T R OST E N D E R STA H L – W E N N D I E G ES U N D H E I T Z Ä H LT
dene Stähle ausgewählt: der ferritische
nichtrostende Stahl 1.4016, die austenitischen Sorten 1.4301 und 1.4404 sowie die
Sorte 1.4305 mit erhöhtem Schwefelgehalt
zur Erzielung verbesserter Zerspanbarkeit,
ferner reines metallisches Nickel in Form von
vernickeltem Stahl. Tabelle 5 weist die chemische Zusammensetzung der Werkstoffe
aus, die in diesen Studien überprüft wurden.
In Annäherung an die Norm EN 1811
(17), die zur Umsetzung der Richtlinie
94/27/EG (12) erstellt worden ist, erfolgten
Tests mit künstlichem Schweiß. Dieser bestand aus 0,5 % NaCl, 0,1 % Harnstoff, 0,1 %
Milchsäure und 1 % NH3, um damit einen pHWert von 6,6 bei Raumtemperatur einzustellen. Angesichts der großen Streuung der pHWerte von menschlichen Schweiß (16) wurden die Austragungsexperimente jedoch
überwiegend in einer angesäuerten und aggressiveren künstlichen Schweißlösung mit
einem pH-Wert von 4,5 durchgeführt. Sie enthielt 0,3 % NaCl, 0,1 % Na2SO4, 0,2 % Harnstoff und 0,2 % Milchsäure. Die Proben wurden im Anlieferungszustand eine Woche lang
in 100 ml einer natürlich belüfteten Lösung
getaucht.
Darüber hinaus wurden klinische Patch-
tests (8) entsprechend den Empfehlungen
der International Contact Dermatitis Research Group (14) an 50 bereits mit Nickel sensibilisierten Personen durchgeführt. Dabei
kamen kreisrunde Proben der vier nichtrostenden Stähle und des vernickelten Materials im Anlieferungszustand zur Anwendung.
Man erkennt in Tabelle 6, dass im Falle der
Stahlsorte 1.4016 die Austragungsexperimente in der angesäuerten künstlichen
Schweißlösung zu einer äußerst geringen
Nickelfreisetzung von weniger als
0,03 µg/cm2·Woche führten. Allerdings ist
dieser nichtrostende Stahl gemäß Tabelle 3
gar nicht mit Nickel legiert und enthält daher
auch, wie aus Tabelle 5 ersichtlich ist, nur
äußerst geringe Mengen Nickel als unabsichtliche Beimengung.
Aus Tabelle 6 wird ersichtlich, dass der
Nickelaustrag auch aus den nickellegierten
austenitischen Stahlsorten 1.4301 und
1.4404 ebenfalls sehr gering ist. Dieses Ergebnis belegt, dass die Passivschicht dafür
sorgt, dass im Kontakt mit menschlichem
Schweiß die Legierungselemente sicher in
die metallische Matrix eingebunden bleiben.
Folglich zeigten sich, wie man in Tabelle 6 erkennt, bei den klinischen Tests an keinem
Tabelle 6: Nickelaustrag aus nichtrostenden Stählen und aus Nickel auf einer vernickelten Oberfläche in künstlichem Schweiß im Vergleich zum
Ergebnis des klinischen Tests an 50 nickelsensibilisierten Probanden auf allergische Reaktionen
EN Werkstoff-Nr.
(AISI)
Ni-Austrag in angesäuerten künstlichen Allergische Reaktion im klinischen Test,
Schweiß von pH 4,5, μg/cm2·Woche
Anteil der geprüften Personen, %
1.4016 (430)
1.4301 (304)
< 0,03
0
1.4305 (303)
rd. 1,5
14
Nickel
rd. 100
96
1.4404 (316L)
14
Folgerungen
Für unmittelbaren und
längeren Hautkontakt in
der Regel verwendbar
Darf für unmittelbaren und
längeren Hautkontakt
keine Anwendung finden
N I C H T R OST E N D E R STA H L – W E N N D I E G ES U N D H E I T Z Ä H LT
der 50 nickelsensibilisierten Probanden allergische Reaktionen, weder im Kontakt mit
den austenitischen Stahlsorten 1.4301 und
1.4404 noch im Kontakt mit der ferritischen
Sorte 1.4016. Demnach sollten diese Stähle
bei unmittelbarer und längerer Berührung
mit der menschlichen Haut in der Regel gesundheitlich unbedenklich sein. Jedoch
kann die durch die Passivschicht gegebene
Sicherheit noch vergrößert werden, wenn
höher legierte nichtrostende Stähle wie EN
1.4435 und EN 1.4439 zur Anwendung kommen. Es sind überwiegend diese Werkstoffe,
die z.B. von der Schweizer Uhrenindustrie für
solche Komponenten verwendet werden,
welche für unmittelbaren und längeren Hautkontakt vorgesehen sind.
Im Unterschied dazu ergab sich im Falle
des Werkstoffs 1.4305, der im Interesse verbesserter Zerspanbarkeit mit Schwefel legiert ist, in der angesäuerten künstlichen
Schweißlösung von pH 4,5 eine Nickelfreisetzung von etwa 1,5 µg/cm2·Woche. Diese
liegt deutlich oberhalb des Grenzwerts von
0,5 µg/cm2·Woche, der in der Europäischen
Richtlinie 94/27/EG (12) für Erzeugnisse
festgelegt ist, die für den unmittelbaren und
längeren Kontakt mit der menschlichen Haut
bestimmt sind. Ferner überschreitet er den
Grenzwert von 0,2 µg/cm2·Woche, der in der
Europäischen Richtlinie 2004/96/EG (13) für
die Freisetzung von Nickel aus Erststeckern
festgelegt ist, die in durchstochene Ohren
oder andere durchstochene Körperteile eingeführt werden. In der minder aggressiven
künstlichen Schweißlösung von pH 6,6, welche der gemäß EN 1811 (17) zu verwendenden Testlösung ähnelt, betrug die Nickelfreisetzung circa 0,3 µg/cm2·Woche. Dieser Wert
liegt nahe an der Freisetzungsgrenze von
0,5 µg/cm2·Woche, die in der Europäischen
Richtlinie 94/27/EG für solche Produkte festgelegt ist, die in unmittelbare und längere
Berührung mit der menschlichen Haut kommen. Er liegt darüber hinaus über dem Freisetzungsgrenzwert von 0,2 µg/cm2·Woche,
der gemäß der Europäischen Richtlinie
2004/96/EG (13) für Erststecker festgelegt
ist, die in durchstochene Ohren oder andere
durchstochene Körperteile eingeführt wer-
Mit Ausnahme von Stählen erhöhter Zerspanbarkeit sind nichtrostende Stähle für
den unmittelbaren und längeren Kontakt mit
der menschlichen Haut in der Regel sicher
verwendbar. Das betrifft zum Beispiel Ohrringe, Schmuckketten, Armbänder, Ringe,
Uhrengehäuse, Uhrenarmbänder, Druckknöpfe und Reißverschlüsse. Die Sicherheit
kann noch vergrößert werden, wenn höher
legierte nichtrostende korrosionsbeständige Stähle wie EN 1.4435 und EN 1.4439
zur Anwendung kommen. Nichtrostende
Stähle mit erhöhter Zerspanbarkeit sind für
diese Anwendungen demgegenüber ungeeignet.
15
STA I N L ESS ST E E L – W H E N H E A LT H CO M ES F I R ST
den. Wie aus Tabelle 6 ersichtlich ist, löste
der Werkstoff 1.4305 bei 14 % der Probanden allergische Reaktionen aus. Daraus ist
abzuleiten, dass dieser Stahl ebenso wie andere Sorten schwefellegierter nichtrostender
Stähle mit erhöhter Zerspanbarkeit für Produkte, die in unmittelbare und längere
Berührung mit der menschlichen Haut gelangen, ungeeignet ist 1.
Entsprechend einer europäischen Richtlinie
sind geeignete nichtrostende Stähle auch für
Piercings zugelassen.
1 Im Falle von Uhrengehäusen und Modeschmuck aus nichtrostendem Stahl mit plasmabeschichteten Oberflächen müssen
die Anforderungen der ISO 16253 (18) beachtet werden. Sofern
vom Substratwerkstoff des beschichteten Teils ein nennenswerter Nickelaustrag zu erwarten ist – dies gilt also besonders für die nichtrostenden Stähle mit verbesserter Zerspanbarkeit – müssen die beschichteten Teile gemäß EN 12472 (19)
geprüft werden, wobei Korrosion und Verschleiß innerhalb einer zweijährigen Gebrauchsphase simuliert und der Nickelaustrag gemessen werden. Darüber hinaus wird ein Test
angegeben, der für die Überwachung der laufenden Produktion
beschichteter Teile geeignet ist (18).
16
N I C H T R OST E N D E R STA H L – W E N N D I E G ES U N D H E I T Z Ä H LT
5.2 Geräte und Implantate für die
Humanmedizin
Es ist wichtig, zwischen solchen Sorten zu
unterscheiden, die für Implantate angewendet werden, und handelsüblichen Sorten wie
zum Beispiel 1.4305, 1.4301, 1.4401 und
1.4404, die für andere medizinische Produkte Verwendung finden (7). In der EU definiert die Richtlinie des Rates 93/42/EWG
(20) als Implantate solche medizinischen
Produkte, die länger als 30 Tage dem
menschlichen Körpergewebe ausgesetzt
werden. Zur weiteren begrifflichen Klärung
gibt diese Richtlinie drei Definitionen vor,
welche die zeitliche Dauer des Kontakts mit
dem Körpergewebe unter normalen Bedingungen betreffen: vorübergehend als für eine ununterbrochene Anwendung über einen
Zeitraum von weniger als 60 Minuten bestimmt, kurzzeitig als für eine ununterbrochene Anwendung über einen Zeitraum
von bis zu 30 Tagen bestimmt, und langzeitig als für eine ununterbrochene Anwendung
über einen Zeitraum von mehr als 30 Tagen
bestimmt.
Diese Definitionen bedeuten, dass die
handelsüblichen nichtrostenden Stähle im
Kontakt mit menschlichem Körpergewebe für
vorübergehende sowie für kurzzeitige ununterbrochene Anwendungen für eine Zeitdauer
bis zu 30 Tagen eingesetzt werden können.
So können zum Beispiel Stifte aus nichtrostendem Stahl der Sorte 1.4401 in Verbindung mit entsprechenden Befestigungsmitteln bei der Fixierung gebrochener Knochen eingesetzt werden. Da diese Stifte oder
Stäbe die Haut und darunter liegendes Gewebe durchdringen und beidseitig mit dem
gebrochenen Knochen verbunden werden,
sind sie als chirurgisch invasive Produkte definiert. Obwohl diese Stifte spanabhebend
bearbeitet sind, werden die Sorten 1.4305
oder 1.4301 hierfür nicht eingesetzt. Allgemein wird der Stahl 1.4401 als Mindestanforderung betrachtet; in vielen Fällen werden
auch besondere Implantatgüten (siehe unten) eingesetzt.
Nichtrostender Stahl ist
ein Standardwerkstoff
für die Fixierung bei Knochenbrüchen.
17
N I C H T R OST E N D E R STA H L – W E N N D I E G ES U N D H E I T Z Ä H LT
Martensitische nichtrostende Stähle werden verbreitet bei zahnärztlichen
und chirurgischen Instrumenten verwendet.
18
ISO 7153-1 (21) legt die für chirurgische
und zahnärztliche Instrumente einzusetzenden nichtrostenden Stähle fest. Es muss betont werden, dass in ISO 7153-1 lediglich für
diesen Anwendungsbereich vorgesehene
Stahlzusammensetzungen angegeben werden. Gleichzeitig werden die Sorten typischen Einsatzgebieten zugeordnet. Die in
der Norm genannten Stahlzusammensetzungen repräsentieren jedoch typische
handelsübliche Legierungszusammensetzungen, die problemlos verfügbar sind. Es
handelt sich also in Wirklichkeit nicht um
Spezialstähle, die speziell für chirurgische
Anwendungen vorgesehen sind. Gleichwohl
werden sie weltweit von allen Herstellern
zahnärztlicher und chirurgischer Instrumente gemäß dieser Norm für Nicht-Implantat-Anwendungen vorgesehen.
Die Sorte 1.4305 mit verbesserter Zerspanbarkeit wird in der Medizintechnik dort
verwendet, wo ihre besonderen Eigenschaften die Herstellung erleichtern, zum Beispiel
bei Gewindeteilen mit gebohrten Löchern
oder Gewinden. Handgriffe mehrteiliger
zahnärztlicher Instrumente werden häufig in
1.4305 hergestellt. Hier ist die geringere Korrosionsbeständigkeit der Sorten mit verbesserter Zerspanbarkeit nicht nachteilig. Der
Griff gelangt nur selten in Kontakt mit dem Patienten und wenn, dann nur vorübergehend.
Der austenitische nichtrostende Stahl 1.4301
findet dort in medizinischen Geräten Anwendung, wo ausreichende Korrosionsbeständigkeit und mittlere Festigkeit erforderlich sind
(beispielsweise für zahnärztliche profilierte
Tabletts, Hohlwaren, Führungsstifte usw.).
Martensitische nichtrostende Stähle wie
zum Beispiel die Sorten 1.4006, 1.4021,
1.4028 und 1.4125 werden in erheblichem
Umfang für zahnärztliche und chirurgische Instrumente eingesetzt. Diese nichtrostenden
Stähle können durch Wärmebehandlung
gehärtet und angelassen werden. Auf diese
Weise lässt sich bei ihnen eine große Bandbreite mechanischer Eigenschaften einstellen
N I C H T R OST E N D E R STA H L – W E N N D I E G ES U N D H E I T Z Ä H LT
(zum Beispiel eine große Härte für Schneidinstrumente und eine geringere Härte bei
gleichzeitig erhöhter Zähigkeit für lastbeanspruchte Teile). Martensitische nichtrostende
Stähle für medizinische Anwendungen enthalten zumeist bis zu 1 % Nickel zur Verbesserung der metallurgischen Eigenschaften.
Obwohl es auch einige martensitische Sorten
mit höheren Nickelgehalten gibt, werden derartige Stähle nur selten für medizinische Anwendungen eingesetzt.
ISO 5832-1 (22) und 5832-9 (23) legen
nichtrostende Knetlegierungen und hochstickstoffhaltige nichtrostende Stähle für
chirurgische Implantate fest. Diese Werkstoffe stellten ursprünglich Weiterentwicklungen der Sorte 1.4401 dar, ihre chemische Zusammensetzung ist jedoch hier
anwendungsbezogen optimiert (zum Beispiel mittels höherer Gehalte an Chrom,
Nickel und Molybdän). Darüber hinaus unterliegen Implantatstähle besonderen Anforderungen hinsichtlich der Beständigkeit gegen Lochkorrosion und eines sehr niedrigen
Gehalts an nichtmetallischen Einschlüssen,
die für handelsübliche nichtrostende Stähle
nicht erhoben werden. Um solche besonders
reinen Implantatstähle herzustellen, werden
deshalb spezielle Stahlerzeugungsverfahren
eingesetzt, wie zum Beispiel das Vakuuminduktionsschmelzen oder das Elektroschlacke-Umschmelzen.
Implantate unterliegen besonderen Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit
(7). In vielen Fällen sind die Oberflächen hochglanz- und / oder elektropoliert. Polierte Oberflächen weisen eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit auf und im Falle des Elektropolierens eine chemisch reine Oberfläche mit verringerter Oberflächenrauigkeit. Darüber
hinaus werden Implantate rigorosen Reinigungsverfahren unterworfen, um mikrobiologische Kontamination zu entfernen, was wiederum der Korrosionsbeständigkeit zugute
kommt, und sie werden in sterilem Zustand
verwendet. Andere, nicht für Implantate verwendete Medizinprodukte haben ebenfalls
eine glatte und oft hochglänzend polierte
Oberfläche. Das Elektropolieren ist für
zahnärztliche und chirurgische Instrumente
weit verbreitet. Ein nicht glänzender Oberflächenzustand wird wie ein standardmäßig zu
polierender Zustand hergestellt, doch erfolgt
die Endbehandlung dann mit einer Scotchbrite-Scheibe anstelle einer Polierscheibe.
Anschließend werden die Geräte vor dem Gebrauch erneut gereinigt und sterilisiert.
Der Einsatz nichtrostender Stähle in chirurgischen Instrumenten,
anderen Medizinprodukten und Implantaten ist für die menschliche
Gesundheit sicher. Er stützt sich auf jahrzehntelange praktische Erfahrung und ist Gegenstand internationaler Normen.
19
N I C H T R OST E N D E R STA H L – W E N N D I E G ES U N D H E I T Z Ä H LT
5.3 Nichtrostende Stähle in Kontakt
mit Lebensmitteln und Getränken
Nichtrostender Stahl ist
beständig unter sauren
Bedingungen, wie sie typischerweise in Braukesseln und in Weintanks
herrschen.
In der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sind nichtrostende Stähle wichtige Werkstoffe für die Handhabung von Lebensmitteln,
wo sie unter anderem für den Transport (zum
Beispiel in Milchtankwagen), in der Verarbeitung (zum Beispiel in der Milch verarbeitenden Industrie, bei der Schokoladenherstellung oder bei der Verarbeitung von Obst wie
zum Beispiel von Äpfeln, Trauben, Orangen
und Tomaten), für Behälter (zum Beispiel für
Weintanks, Braukessel und Bierfässer), für die
Verarbeitung von trockenen Lebensmitteln
(zum Beispiel für Getreideprodukte, Mehl und
Zucker), für Geräte wie zum Beispiel Mixer
oder Teigkneter, in Schlachthäusern, in der
Fischverarbeitung, für die gesamte Einrichtung und zahlreiche Zubehörteile in
Großküchen (in Restaurants, Krankenhäusern, Schulen usw.) eingesetzt werden (24).
Nichtrostende Stähle sind auch weit verbreitet für häusliche Lebensmittelkontakt-Anwendungen, wie zum Beispiel für elektrische Wasserkessel, für Kochgeschirre und Küchenausstattungen wie zum Beispiel Spülen, Arbeitsflächen und Ausgüsse und darüber hinaus für
Schüsseln, Messer sowie Bestecke 2.
Wie weiter unten erläutert, werden zahlreiche unterschiedliche nichtrostende Stähle
als Lebensmittelkontakt-Werkstoffe eingesetzt. Allerdings enthalten die weitaus meisten hierfür zur Verwendung kommenden
2 Einen Überblick über die Bandbreite nichtrostender Stähle in
häuslichen Anwendungen vermittelt die CD-ROM „At Home with
Stainless Steel“, Luxemburg: Euro Inox 2004. Die Animation
kann auch im Internet unter www.euro-inox.org/fla_24_EN.html
betrachtet werden.
20
N I C H T R OST E N D E R STA H L – W E N N D I E G ES U N D H E I T Z Ä H LT
nichtrostenden Stähle etwa 18 % Chrom, was
sich im Hinblick auf die Korrosionsbeständigkeit gegenüber einer Vielzahl von Lebensmitteln und Getränken als optimale Legierungszusammensetzung erwiesen hat (25).
Für Lebensmittelkontakt-Anwendungen
werden verschiedene Sorten (1) nichtrostender Stähle eingesetzt:
• martensitische korrosionsbeständige
Stähle sowohl für Bestecke als auch
für professionelle Messer,
• ferritische korrosionsbeständige Stähle für Bestecke, Hohlwaren, Tischoberflächen, Paneele und Arbeitsflächen,
• austenitische korrosionsbeständige
Stähle in zahlreichen Lebensmittelkontaktanwendungen sowohl im
häuslichen Bereich (Schneidwaren,
Hohlwaren, Küchengeräte) als auch in
industriellen Anwendungen (Lebensmittelverarbeitung, Lagerungs- und
Transporteinrichtungen, Leitungen
usw.),
• austenitisch-ferritische nichtrostende
Die äußerst weite Verbreitung nichtrostender Stähle als Lebensmittelkontakt-Werkstoffe ist auch Ausdruck der Tatsache, dass die
nichtrostende Stähle der von Lebensmitteln und Getränken ausgehenden Korrosionsbelastung widerstehen. Darüber hinaus lassen
sie sich leicht reinigen und schaffen damit die Voraussetzungen für
Hygiene in der Zubereitung und Handhabung von Lebensmitteln. Im
Kontakt mit nichtrostenden Stählen erleiden Lebensmittel und Getränke keinerlei Veränderungen des Geschmacks oder Verfärbungen (24).
Stähle im Kontakt mit aggressiven Lebensmitteln, da diese hochlegierten
Sorten eine äußerst hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen und daher
auch beständig sind gegen Beanspruchungen, wie sie zum Beispiel von
Salzlösungen in der Fleisch verarbeitenden Industrie ausgehen.
Obwohl sich keine allgemeingültigen
Grenzen für die Legierungsgehalte von nichtrostenden Stählen angeben lassen, die in
der Lebensmittelindustrie zur Anwendung
kommen können, bestehen in Frankreich
Die martensitische Gefügestruktur schafft die
Voraussetzungen für
scharfe Schneidkanten.
21
N I C H T R OST E N D E R STA H L – W E N N D I E G ES U N D H E I T Z Ä H LT
Salzhaltige Lösungen in
der Fleisch verarbeitenden Industrie stellen eine
korrosive Umgebung
dar, in der geeignete
nichtrostende Stähle beständig sind.
22
und Italien gesetzliche Festlegungen.
In Frankreich (26,27) müssen nichtrostende Stähle für den Lebensmittelkontakt mindestens 13 % Chrom aufweisen und können
darüber hinaus Nickel und Mangan enthalten.
Für andere Legierungselemente sind Höchstwerte festgelegt (4 % für Mo, Ti, Al und Cu; 1 %
für Ta, Nb und Zr). Diese Begrenzungen sind in
den französischen Standard NF A36-711 eingegangen, der von AFNOR im April 2002 veröffentlicht wurde (28) und der eine Vielzahl von
nichtrostenden Stählen aufführt, die für den
Kontakt mit Lebensmitteln geeignet sind. Für
jede Anwendung müssen die Stähle jedoch in
Hinblick auf ihre Tauglichkeit je nach der Art
des vorgesehenen Lebensmittelkontakts und
der Art der hierbei in Frage kommenden Reinigungsverfahren ausgewählt werden.
In Italien (29) gibt es eine „Positivliste“
für nichtrostende Stähle für den Lebensmittelkontakt. Die dort genannten Sorten müssen in verschiedenen Medien unter festgelegten Bedingungen Korrosionstests durchlaufen haben. Neue Sorten können nach geeigneter Prüfung aufgenommen werden. In
Großbritannien gibt es zahlreiche Normen
für eine Vielzahl von LebensmittelkontaktAnwendungen für nichtrostende Stähle (30).
Andere Länder, zum Beispiel Deutschland,
haben ebenfalls eine große Anzahl unterschiedlicher Regelungen, die in (31) aufgeführt
sind. Darüber hinaus gibt es Europäische Normen für bestimmte Arten von Lebensmittelkontakt-Anwendungen von nichtrostendem
Stahl (24). Der NSF International Standard / American National Standard for Food
Equipment - Food Equipment Materials vom
3. April 2007 (32) legt fest, dass nichtrostende Stähle für die Lebensmittelverarbeitung
den Serien AISI 200, AISI 300 oder AISI 400 angehören müssen. Gemäß diesen Normen müssen nichtrostende Stähle im Bereich des Lebensmittelkontakts einen Mindestchromgehalt von 16 % aufweisen. Allerdings lässt die
Norm auch den Einsatz nichtrostender Stähle
mit weniger als 16 % in Schneidwaren, Klingen
und ähnlichen Anwendungen zu, die eine
scharfe Kante erforderlich machen.
Obwohl nichtrostende Stähle normalerweise so ausgewählt werden, dass sie die
verschiedenen Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit in den jeweiligen Lebensmitteln erfüllen, können geringe Mengen der im nichtrostenden Stahl enthaltenen
metallischen Elemente aus den für die Zubereitung und für das Kochen verwendeten
Geräten in das Lebensmittel übergehen und
vom Menschen aufgenommen werden. Es ist
deshalb erforderlich, der Frage nachzugehen,
ob ein derartiger Austrag nachteilige Wirkungen auf die Gesundheit ausüben kann.
Eine Vielzahl von nichtrostenden Stählen ist
äußerst korrosionsbeständig in Essigsäure im
Konzentrationsbereich von 1 bis 20% und bei
Temperaturen bis zum Siedepunkt (33). Eine
vergleichbare Korrosionsbeständigkeit ist ge-
N I C H T R OST E N D E R STA H L – W E N N D I E G ES U N D H E I T Z Ä H LT
genüber Bier, Zitronensäure (bis zu 5%), Kaffee,
Fruchtsäften, Wein, Milchsäure, Milch und verschiedenen Reinigungsmitteln gegeben. Molybdänhaltige nichtrostende Stähle werden im
Fall fester und flüssiger Lebensmittel verwendet, die Chlorid-Ionen enthalten. In Italien
müssen nichtrostende Stähle bestimmte Migrationskriterien in unterschiedlichsten Medien erfüllen, bevor sie für die Verwendung im
Kontakt mit Lebensmitteln freigegeben werden. Die Liste der zugelassenen Sorten umfasst die Standard-Austenite 1.4301 und
1.4404. Darüber hinaus legen einige europäische Normen die Oberflächenbeschaffenheit
der Produkte fest sowie die Testkriterien, die
erfüllt werden müssen, um die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Loch- oder Spaltkorrosion während der normalen Nutzungsdauer der Produkte zu minimieren.
Die Migration von Legierungselementen
aus nichtrostendem Stahl in Lebensmittel
wird allgemein als zeitabhängiger Vorgang
angesehen. Allerdings hat sich gezeigt, dass
sich die Migration von Nickel aus nichtrostendem Stahl mit der Zeit auf einen Minimalwert vermindert, der bei fabrikneuen
Töpfen unter 0,1 mg/m2 und zumeist unter
0,1 mg/kg Lebensmittel liegt (34,35).
Die Zubereitung von Lebensmitteln wie
zum Beispiel Rhabarber, Sauerkraut und Rotweinsauce in fabrikneuen Töpfen aus nichtrostendem Stahl kann zu chemischen Veränderungen in der Stahloberfläche führen, welche die schützende Passivschicht beeinflussen und damit die weitere Nickelmigration
reduzieren (34,35). Die Abgabe von NickelIonen aus nichtrostenden Stahltöpfen liegt
im Allgemeinen unter 0,1 mg/kg (36). Die
von den Küchengeräten an Standardportionen verschiedener „aggressiver“ Lebensmittel abgegebene Nickelmenge liegt zwischen
0 und 0,008 mg pro Portion.
Die höchsten Werte für den Chrom- und
Nickelaustrag aus Kochgeschirren wurden bei
Milchsäure ist recht aggressiv und erfordert
korrosionsbeständige
Werkstoffe wie zum Beispiel nichtrostenden
Stahl.
23
N I C H T R OST E N D E R STA H L – W E N N D I E G ES U N D H E I T Z Ä H LT
Obst und Gemüse haben
oft einen hohen Säuregehalt, der für andere metallische Werkstoffe als
nichtrostenden Stahl bedenklich wäre.
der erstmaligen Benutzung fabrikneuer Töpfe
festgestellt (37). Der Nickel- und Chromaustrag wurde bei Rhabarber, Aprikosen sowie Limonenmarmelade, Tomatenchutney und gekochten Kartoffeln gemessen. Der Nickelaustrag belief sich beim ersten Kochvorgang im
Falle von Aprikosen und Rhabarber auf ungefähr 0,2 mg/kg. Nach den zwei ersten Kochvorgängen reduzierte sich die maximale
Nickelabgabe bei Aprikosen und Rhabarber
auf etwa 0,07 mg/kg und 0,01 mg/kg. Die entsprechenden Werte für Chrom lagen bei
0,05 mg/kg und 0,01 mg/kg.
Bisher gibt es keine formelle Beurteilung
nichtrostender Stähle im Kontakt mit Lebensmitteln, die auf die Möglichkeit unerwünschter
Wirkungen auf die Gesundheit hindeuten würde. Aber zahlreiche Untersuchungen zur Korrosion in verschiedenen Medien und zur Metallaufnahme durch solche Lebensmittel, die
in Töpfen aus nichtrostendem Stahl gekocht
wurden, geben keinen Anlass zu gesundheitlichen Bedenken hinsichtlich einer übermäßigen Aufnahme von Chrom und Nickel. Zwischen diesen Stählen einerseits und Glas an24
dererseits wurden darüber hinaus keine signifikanten Unterschiede in Bezug auf die Migration festgestellt (25, 38).
Die Auswahl geeigneter nichtrostender
Stähle für den Umgang mit speziellen Lebensmitteln stützt sich zumeist auf langjährige praktische Erfahrung. Wo entsprechende
Erfahrungswerte fehlen, müssen Tests durchgeführt werden. Laboruntersuchungen unter
simulierten Einsatzbedingungen stellen lediglich einen ersten Schritt dar, dem Untersuchungen unter Praxisbedingungen folgen
müssen.
Untersuchungen der Freisetzung von
Chrom und Nickel aus Kochgeräten aus ferritischem und austenitischem nichtrostenden Stahl haben gezeigt, dass der Übergang
von Chrom und Nickel aus dem Kochgerät in
die Lebensmittel im Vergleich zur natürlichen Aufnahme dieser Elemente mit der
durchschnittlichen Nahrung vernachlässigbar gering ist (25).
N I C H T R OST E N D E R STA H L – W E N N D I E G ES U N D H E I T Z Ä H LT
5.4 Nichtrostende Stähle in Kontakt
mit Trinkwasser
Da die an Trinkwasser zu stellenden Anforderungen in der Europäischen Richtlinie
98/83/EG (39) festgeschrieben sind, sollen
sie an dieser Stelle separat behandelt werden. Zu den 48 chemischen und mikrobiologischen Parametern, die mit dieser Richtlinie festgelegt werden, gehört auch ein maximaler Chloridgehalt von 250 mg/l. Allerdings
besagt die europäische Norm EN 12502-4
(40), dass bei modybdänfreien ferritischen
und austenitischen Stählen eine hohe Wahrscheinlichkeit von Lochkorrosion besteht,
wenn der Chloridgehalt oberhalb von 6
mmol/l (212 mg/l) in kaltem Wasser und
oberhalb von circa 1,5 mmol/l (53 mg/l) in
warmem Wasser liegt.
Nichtrostende Stahlrohre für den Transport von Trinkwässern unterschiedlichster
Zusammensetzung in der Hausinstallation,
die hohen Chloridgehalten ausgesetzt sind,
werden üblicherweise mit molybdänhaltigen
nichtrostenden Stählen wie zum Beispiel der
austenitischen Sorte 1.4401 oder der ferritischen Sorten 1.4521 ausgeführt. Dies steht
in Übereinstimmung mit den derzeitigen
deutschen und schweizerischen Zulassungen (41,42) für Trinkwasser-Hausinstallationssysteme, die auf langjährigen Erfahrungen beruhen.
Der Chloridgehalt von
Trinkwässern ist der
Grund, warum für die
Hausinstallation molybdänhaltige nichtrostende
Stähle eingesetzt werden.
Beim Einsatz geeigneter Sorten nichtrostender Stähle für die Hausinstallation ist
keine bedenkliche Migration von Legierungsbestandteilen aus dem nichtrostenden
Stahl in das Trinkwasser zu erwarten. Der
Einsatz dieser nichtrostenden Stähle für die
Trinkwasserinstallation ist für die menschliche Gesundheit unbedenklich.
25
N I C H T R OST E N D E R STA H L – W E N N D I E G ES U N D H E I T Z Ä H LT
5.5 Nichtrostende Stähle für die
Herstellung pharmazeutischer
Produkte (7)
Ebenso wie in der Lebensmittel- und Getränketechnik erfordern Anwendungen in der
Pharmatechnik, dass die Konstruktionswerkstoffe korrosionsbeständig sind und keine
nennenswerten Mengen von Fremdstoffen
an das Produkt abgeben. Nichtrostende
Stähle sind in der pharmazeutischen Industrie weit verbreitet, wo sie diesen Anforderungen entsprechen: sie sind korrosionsbeständig, inert und leicht zu reinigen.
Obwohl der austenitische nichtrostende
Stahl 1.4401 und daraus weiterentwickelte
Sorten zu den am weitesten verbreiteten nichtrostenden Stählen in der Pharmatechnik
Das Elektropolieren optimiert die Oberflächeneigenschaften des
nichtrostenden Stahls
weiter, so dass höchste
Korrosionsbeständigkeit
und Reinigungsfreundlichkeit erzielt werden.
26
zählen und als Standardwerkstoffe gelten, werden für jede Anwendung die geeigneten Werkstoffe auf Grundlage ihrer Korrosionsbeständigkeit unter den jeweiligen Betriebsbedingungen ausgewählt. Die Auswahl der geeigneten Sorte muss auch berücksichtigen, welche
Reinigungsverfahren und welche Reinigungsmittel in der Anlage eingesetzt werden. Außerdem kann die Werkstoffauswahl durch die Betriebsart beeinflusst werden, zum Beispiel je
nachdem, ob die Reinigung vor Ort erfolgt (engl.
Cleaning in Place, CIP), oder ob die Anlagenteile einzeln mit entsprechenden längeren Betriebsunterbrechungen zum Zwecke der Reinigung zugänglich gemacht werden.
In Anbetracht der obigen Anmerkungen ist
es schwierig, bestimmte nichtrostende Stähle bestimmten Anwendungen zuzuordnen. Al-
N I C H T R OST E N D E R STA H L – W E N N D I E G ES U N D H E I T Z Ä H LT
lerdings können die nachstehenden Beispiele als Richtschnur dafür gelten, welche Kriterien bei der Wahl eines geeigneten nichtrostenden Stahles für pharmazeutisch-technische Anwendungen anzusetzen sind. Der austenitische nichtrostende Stahl 1.4301 und
verwandte Sorten werden in wenig aggressiven Umgebungen eingesetzt, wo der Chloridgehalt unter 200 mg/l liegt. Demgegenüber
werden die Sorte 1.4401 und vergleichbare
Werkstoffe bei Chloridgehalten von bis zu 500
mg/l verwendet. Bei noch höheren Chloridgehalten, insbesondere in Kombination mit
hohen Betriebstemperaturen, werden die Duplex-Stähle 1.4462 und 1.4362 aufgrund ihrer hohen Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion eingesetzt. Für noch aggressivere Umgebungsbedingungen kommt der
superaustenitische Stahl 1.4529 oder die Superduplexgüte 1.4410 in Betracht.
Die Oberflächenbeschaffenheit hat einen
erheblichen Einfluss auf die Leistung pharmazeutischer Anlagen. Aus diesem Grund legen
die Ausschreibungen derartiger Anlagen zumeist die Oberflächenbeschaffenheit genau
fest. In vielen Fällen werden die Oberflächen
hochglanz- und / oder elektropoliert. Mechanisch polierte und elektropolierte Oberflächen
führen zu verbesserter Korrosionsbeständigkeit und reduzierter Mikrorauigkeit. Die Konstruktion, die Ausführungsqualität, die Montage sowie die Inbetriebnahme üben wesentlichen Einfluss auf die Leistung der Anlage und
der verwendeten Werkstoffe aus.
5.6 Hygienische Eigenschaften der
Oberfläche nichtrostender Stähle
– Reinigung und Desinfektion
Nichtrostender Stahl ist der gängigste
Werkstoff für die Handhabung und für die
Verarbeitung von Lebensmitteln. Im täglichen Gebrauch lassen sich Küchengeräte
und Küchenspülen, Koch- und Tafelgeschirre
ebenso wie Schneidwaren aus nichtrostendem Stahl mit Wasser und Spülmitteln sowie
erforderlichenfalls Bürsten leicht reinigen.
Das gilt auch für jedwede anderen Edelstahlteile unseres täglichen Lebens, wie zum
Beispiel für Geländer und Türgriffe, und zwar
sowohl zuhause als auch andernorts, wie
zum Beispiel in Krankenhäusern, wo zusätzlich oft handelsübliche Desinfektionsmittel
eingesetzt werden.
Nichtrostender Stahl
wird in vielen häuslichen Anwendungen
bevorzugt verwendet.
Langjährige Erfahrungen haben bewiesen, dass nichtrostender Stahl in der pharmazeutischen Industrie ein hervorragend
geeigneter Werkstoff ist.
27
N I C H T R OST E N D E R STA H L – W E N N D I E G ES U N D H E I T Z Ä H LT
Allerdings kann in der gewerblichen Lebensmittelverarbeitung der Kontakt zwischen
Stahl und Lebensmitteln deutlich länger sein
als in der häuslichen Küche. Zudem können in
der Lebensmittelverarbeitung die Anlagenteile aus nichtrostendem Stahl oft nur schwer zugänglich oder für eine Reinigung nicht aus der
Anlage heraus zu nehmen sein, so dass eine
Reinigung vor Ort (engl. Cleaning in Place, CIP)
häufig unumgänglich ist. Über die Reinigbarkeit von Oberflächen aus nichtrostendem
Stahl in der Lebensmittelindustrie gibt es deshalb zahlreiche Veröffentlichungen. Eine geeignete Oberflächentopographie spielt für die
Reinigbarkeit von nichtrostendem Stahl in der
Lebensmittelindustrie ebenso wie in anderen
Anwendungen eine Schlüsselrolle. Grundsätzlich muss die Oberfläche glatt und frei von
Schadstellen wie Grübchen, Falten und Spalten sein. Gemäß EN 1672-2 (43) und der
EHEDG-Richtlinie Nr. 8 (44) ist eine Oberfläche
dann als glatt definiert, wenn der Ra-Wert bei
0,8 µm oder niedriger liegt. Allerdings hängt
die Reinigbarkeit stark von dem angewendeten Oberflächenbehandlungsverfahren ab, da
dieses die Oberflächentopographie beeinflusst (44). Kaltgewalzter nichtrostender Stahl
hat eine Oberflächenrauigkeit von 0,2 bis
0,5 µm Ra. Sofern im verarbeiteten Endzustand keine lochförmigen Schadstellen, Falten oder Spalten vorliegen, ist eine Politur normalerweise nicht erforderlich, um eine für die
Reinigbarkeit ausreichende Glätte zu erzielen.
Jedoch kommt es nicht nur auf die Auswahl einer geeigneten Stahlsorte und auf deren
Oberflächenqualität im verarbeiteten Endzustand an, sondern auch die Konstruktion der
damit erstellten Anlage muss hygienischen
Kriterien genügen, um gesundheitlich undenklich zu sein (24,44).
28
Da längerer Kontakt von Oberflächen mit
Lebensmitteln leicht zu Anhaftung und
Wachstum von Mikroorganismen führt, kann
eine Desinfektion zur Entfernung dieser mikrobiologischen Verunreinigungen in Betracht gezogen werden. Mikroorganismen
haften leicht auf Oberflächen, mit denen sie
in Kontakt kommen, und bilden dabei einen
so genannten Biofilm. Sie gewinnen aus dieser Anhaftung eine Reihe von Vorteilen, wie
beispielsweise ein reichhaltigeres Angebot
an Nahrungsmolekülen und eine schützende
Barriere, die sie um sich herum aus extrazellulärer polymerer Substanz (EPS) aufbauen.
Untersuchungen über das Wachstum von
Biofilmen auf nichtrostendem Stahl haben
Forschungsergebnisse bestätigt, die an anderen Werkstoffen hinsichtlich des Prozesses der Entstehung der Biofilme und insbesondere hinsichtlich der Rolle der extrazellulären polymeren Substanz (EPS) und der
Resistenz gegenüber Desinfektionsmitteln
gewonnen wurden. Es ist wichtig zu erwähnen, dass die Anhaftung von Mikroorganismen auf festen Oberflächen und folglich
auch deren Reinigbarkeit durch eine Vielzahl
von Faktoren beeinflusst wird. Auf festen
Oberflächen stellen die physikalische Chemie und, wie oben bereits angesprochen, die
Rauigkeit und die Topographie der Oberfläche zwei wichtige Faktoren dar. Darüber
hinaus können sich die Oberflächeneigenschaften der Mikroorganismen selbst nach
Art und Stamm unterscheiden. Auch der physiologische Status und der Kulturtyp der Mikroorganismen sowie die Kontaktzeit spielen eine wichtige Rolle (45).
Seit langem ist bekannt, dass nichtrostender Stahl leichter zu reinigen ist als andere Werkstoffe wie zum Beispiel Aluminium
N I C H T R OST E N D E R STA H L – W E N N D I E G ES U N D H E I T Z Ä H LT
Nichtrostender Stahl
weist eine Oberflächenbeschaffenheit auf, die
ihn reinigungsfreundlich
macht.
oder Kunststoffe (46). In Untersuchungen
hierzu entfernte ein handelsüblicher gewerblicher Geschirrspüler 97 % der auf nichtrostendem Stahl vorgefundenen Mikroorganismen. Demgegenüber verblieben auf
Kunststoffen unterschiedlichen Typs, die
demselben Reinigungsverfahren unterworfen worden waren, zwischen 16 und 31 %
der mikrobiologischen Verschmutzungen. In
denselben Untersuchungen (46) zeigte sich,
dass die Reinigbarkeit von nichtrostendem
Stahl nicht nur größer ist als diejenige von
Aluminium und von Kunststoffen, sondern
auch vergleichbar ist mit derjenigen von Glas
und von Porzellan.
In anderen Untersuchungen wurde die
Reinigbarkeit von nichtrostendem Stahl mit
derjenigen von Glas, Aluminium und Nickeloder Kupferlegierungen verglichen. Während
die Reinigbarkeit von nichtrostendem Stahl,
Nickel- und Kupferlegierungen sich als vergleichbar erwies, war die Wirksamkeit von
Reinigungsmitteln bei nichtrostendem Stahl
drei- bis viermal höher als bei Kunststoffen
und Aluminium (47,48). Jüngere Studien haben diese Ergebnisse bestätigt (49). Demnach verbleiben auf nichtrostendem Stahl
nur ungefähr 1/5 der Reste an mikrobiologischen Substanzen wie auf Aluminium und
erheblich weniger als auf bestimmten Fluorpolymeren. Demgegenüber wurden auf
nichtrostendem Stahl und auf emaillierten
Stahloberflächen etwa gleich viele Mikroorganismen gefunden.
Darüber hinaus wurde nachgewiesen,
dass auf verschleißbeanspruchtem nichtrostendem Stahl nach einer einfachen Standard-Sprühreinigung nur 1/10 der Mikroorganismen gefunden wurden wie auf mineralisch gefülltem Polymerharz (50). Die Ergebnisse anderer Untersuchungen (51) legen
nahe, dass die Oberflächen von Küchenspülen aus Polykarbonat, aus mineralisch
gefülltem Harz und aus emailliertem Stahl
29
N I C H T R OST E N D E R STA H L – W E N N D I E G ES U N D H E I T Z Ä H LT
verschleißanfälliger sind und deshalb höheren Reinigungsaufwand erfordern als solche
aus nichtrostendem Stahl. Gleichwohl erreichen sie selbst bei verstärkter Reinigung keine Hygienestandards, die mit denen verschleißbeständiger Werkstoffe wie nichtrostendem Stahl vergleichbar wären.
Über die Reinigung hinaus wurde auch die
Wirksamkeit von Desinfektionsmitteln auf
Oberflächen mit anhaftenden Mikroorganismen untersucht. Ziel dieser Studien war es,
die erforderliche Mindestkonzentration an
Desinfektionsmitteln zu ermitteln, die ausreichend ist, die Anzahl der anhaftenden Mikroorganismen um mehrere Größenordnungen zu verringern. Die Wirksamkeit eines Desinfektionsmittels war dabei von der Werkstoffoberfläche anhängig. So wurde zum
Beispiel nachgewiesen (52), dass zur Desinfektion von nichtrostendem Stahl im Vergleich zu Kunststoff oder Aluminium weniger
als ein Zehntel der Konzentration von quaternärem Ammoniumchlorid, Natriumhypochlorit oder Jodophor erforderlich ist.
Die Wirksamkeit von vier handelsüblichen Desinfektionsmitteln wurde dahingehend untersucht (53,54), die mögliche Gefahr der Kontamination von Milcherzeugnissen bei ihrem Kontakt mit unterschiedlichen
Werkstoffen zu prüfen. Die Ergebnisse zeigen, dass alle Desinfektionsmittel gegen Listeria monocytogenes auf nicht-porösen
Oberflächen wirksamer waren als auf porösen. Nach 10-minütiger Einwirkungsdauer
lag die erforderliche Konzentration an Desinfektionsmitteln für die Desinfektion von
Gummi wenigstens fünf bis zehn Mal höher
als bei Glas oder nichtrostendem Stahl.
In einer Bewertung der Wirkung von Reinigungs- und Desinfektionsmitteln auf Liste30
ria monocytogenes, die typischen in der Lebensmitteltechnik eingesetzten Werkstoffen
anhafteten, zeigte sich, dass die Widerstandsfähigkeit von Listeria monocytogenes
von der Oberfläche abhängt, an die sie sich
anlagert. Nichtrostender Stahl war hier wesentlich leichter zu reinigen und zu desinfizieren als Förderband-Material wie Polyester
oder Polyester/Polyurethan (55).
Aufgrund der vorstehend genannten Befunde erfordern Dichtungen, die beispielsweise aus Gummi bestehen, in Anlagen aus
nichtrostendem Stahl erhöhte Aufmerksamkeit, wenn Keimfreiheit von besonderer Bedeutung ist (56).
In Trinkwasser-Versorgungssystemen
wurde die Wirksamkeit von Chloramin auf
Biofilme aus Pseudomonas aeruginosa auf
den drei Werkstoffen nichtrostender Stahl,
Kupfer und Kohlenstoffstahl untersucht (57).
Die Desinfektion des Biofilms war auf nichtrostendem Stahl wirksamer als auf den anderen beiden Werkstoffen, wobei der Kohlenstoffstahl zusätzlich Korrosion zeigte.
Die Art der Oberfläche beeinflusst auch
die Zusammensetzung des Biofilms, das Verhältnis der lebensfähigen Bakterien zu der
Zahl der Bakterien insgesamt und die Menge der extrazellulären polymeren Substanz.
In allen Untersuchungen zeigte sich, dass die
Art der Oberfläche einen Einfluss auf die
Konzentration an Desinfektionsmitteln hat,
die erforderlich ist, um die Oberfläche zu
desinfizieren. Im Vergleich zu anderen Werkstoffen erfordert nichtrostender Stahl geringere Konzentrationen an Desinfektionsmitteln, um die gesetzlichen Hygieneanforderungen zu erfüllen und schont damit zugleich
die Umwelt durch Verminderung der Abwasserbelastung (58).
N I C H T R OST E N D E R STA H L – W E N N D I E G ES U N D H E I T Z Ä H LT
Desinfektionsbehandlungen sind auf nichtrostendem Stahl besonders
wirksam.
Im Fall einer beabsichtigen Verwendung
von Kupfer für hygienische Oberflächen in
Krankenhäusern erfordert eine antibakterielle Wirkung des Kupfers, dass Kupfer-Ionen
an die unmittelbare Umgebung in merklichem Umfang abgegeben werden (59), mit
einer entsprechenden Reaktivität der Kupferoberfläche als Voraussetzung. Eine solche kann Probleme für die Reinigung zur Folge haben. Eine entsprechende Untersuchung mit Staphylococcus aureus, der in
proteinhaltigen Verschmutzungen suspendiert war, zeigte bei einem über mehrere
Wochen geführten Zyklus von Verschmutzung und Reinigung durch Wischbehandlung, dass sich alle untersuchten Werkstoffe nach der erstmaligen Behandlung gut reinigen ließen. Auf den Kupferoberflächen
baute sich nach mehreren Zyklen jedoch eine Schicht aus Zellen und Schmutz auf,
während der nichtrostende Stahl weiterhin
leicht zu reinigen blieb (60).
Im Vergleich zu anderen Werkstoffen
weisen nichtrostende Stähle eine bessere
Reinigbarkeit auf und erlauben niedrigere
Konzentrationen an Desinfektionsmitteln,
um den gesetzlichen Hygieneanforderungen
zu entsprechen. Dies trägt infolge der Verminderung der Abwasserbelastung auch
zum Schutz der Umwelt bei. Die Reinigbarkeit von nichtrostendem Stahl ist vergleichbar mit derjenigen von Glas und bedeutend
größer als die von Kunststoffen und anderen
metallischen Werkstoffen.
31
N I C H T R OST E N D E R STA H L – W E N N D I E G ES U N D H E I T Z Ä H LT
6 Zusammenfassung
• Nichtrostende Stähle sind Eisenlegierungen. Ihr wesentliches Kennzeichen ist eine hohe Korrosionsbeständigkeit, die vor
allem durch das Hauptlegierungselement
Chrom erzielt wird. Die Korrosionsbeständigkeit kann durch andere Legierungselemente, vor allem durch Nickel und Molybdän, weiter erhöht werden.
• Die hohe Korrosionsbeständigkeit sowie
der im passiven Zustand nur sehr geringe
Austrag von Metallionen zeigen, dass die
Legierungsbestandteile sicher in den nichtrostenden Stahl eingebunden bleiben.
• Nichtrostender Stahl enthält kein sechswertiges Chrom; und solches entsteht
auch nicht beim normalen Gebrauch
durch die Endanwender.
• Mit Ausnahme der schwefellegierten
Sorten mit erhöhter Zerspanbarkeit ist
nichtrostender Stahl für die menschliche
Gesundheit unbedenklich, wenn er in
unmittelbare und längere Berührung mit
der menschlichen Haut kommt, wie zum
Beispiel bei Ohrringen, Schmuckketten,
Armbändern, Ringen, Uhrengehäusen
und Uhrenarmbändern, Druckknöpfen
und Reißverschlüssen.
• Der Einsatz von nichtrostendem Stahl in
chirurgischen Instrumenten, medizinischen Geräten und chirurgischen Implantaten ist für die menschliche Gesundheit sicher. Er stützt sich auf jahrzehntelange praktische Erfahrung und
unterliegt internationalen Normen.
• Der äußerst weit verbreitete Einsatz der
nichtrostenden Stähle als Werkstoffe in
Kontakt mit Lebensmitteln widerspiegelt die Tatsache, dass nichtrostende
Stähle gegenüber den korrosiven Einwirkungen von Speisen und Getränken
32
•
•
•
•
beständig sind und sich leicht reinigen
lassen, als Voraussetzung für Hygiene
bei der Zubereitung und bei dem Transport von Lebensmitteln. Im Kontakt mit
nichtrostendem Stahl unterliegen Lebensmittel und Getränke keiner Veränderung des Geschmacks oder der Farbe.
Untersuchungen der Freisetzung von
Chrom und Nickel aus Kochgeräten aus
ferritischem und austenitischem nichtrostenden Stahl haben gezeigt, dass der
Übergang von Chrom und Nickel aus
dem Kochgerät in die Lebensmittel im
Vergleich zur natürlichen Aufnahme dieser Elemente mit der durchschnittlichen
Nahrung vernachlässigbar gering ist.
Nichtrostender Stahl im Kontakt mit Trinkwasser erfüllt die Anforderungen an die
Wasserqualität, die in der Europäischen
Richtlinie 98/83/EG (Trinkwasserrichtlinie) festgelegt sind. Dies bedeutet, dass
nichtrostender Stahl im Kontakt mit Trinkwasser für die menschliche Gesundheit
sicher ist und kein inakzeptabler Austrag
von Legierungselementen stattfindet.
Bei geeigneter Werkstoffauswahl in Verbindung mit sachgerechter Konstruktion und
Verarbeitung ist nichtrostender Stahl in
pharmazeutischen Anwendungen unbedenklich für die menschliche Gesundheit.
Im Vergleich zu anderen Werkstoffen verfügen nichtrostende Stähle über eine bessere Reinigbarkeit und erfordern geringere Konzentrationen an Desinfektionsmitteln, um den Hygieneanforderungen zu
genügen. Die Reinigbarkeit von nichtrostendem Stahl ist vergleichbar mit derjenigen von Glas und bedeutend besser als
diejenige von Kunststoffen und anderen
gebräuchlichen metallischen Werkstoffen.
N I C H T R OST E N D E R STA H L – W E N N D I E G ES U N D H E I T Z Ä H LT
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